FGO : Geophysical Fluids and Oceanography
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La recherche de l'équipe FGO porte sur l'étude de la méso et de la subméso échelle dans les fluides géophysiques, particulièrement dans les environnements océaniques à l'échelle des bassins régionaux et de leurs marges continentales. Les objectifs généraux sont la compréhension des mécanismes dynamiques (instabilités, upwelling, convection, interactions ondes-écoulement et topographie-écoulement, génération et trajectoire des structures cohérentes) qui influencent la circulation océanique à ces échelles. L'accent est mis sur l'étude des phénomènes océaniques locaux, en particulier les tourbillons de subméso-échelle et de méso-échelle et leur rôle dans le transport de propriétés dans l'océan, notamment dans les échanges côte-large. Ces études sont essentielles pour améliorer notre connaissance et la modélisation de la circulation générale des bassins océaniques, de leurs écosystèmes. L'amélioration des modèles fait partie en effet des grands enjeux actuels de l'océanographie opérationnelle et pour la prévision des évolutions régionales liées au changement climatique global. Ces études ont comme zone atelier principale la Mer Méditerranée et entrent dans le cadre des problématiques abordées par le « Chantier Méditerranée » soutenus par l'Institut National des Sciences de l'Univers du CNRS (INSU) et des grands programmes internationaux qui mettent l'accent sur le rôle des marges continentales, le monitoring in-situ du milieu marin dans un cadre opérationnel.
L'originalité de cette équipe est d'exploiter la complémentarité entre modèles théoriques, expériences en laboratoire, expérimentation en mer et modèles numériques pour l'étude de ces échelles. Le spectre des activités s'étend ainsi de la modélisation physique des écoulements océaniques en laboratoire sur plate-forme tournante, de la définition et la participation à des campagnes océanographiques et le déploiement d'instrumentation en mer, jusqu'au développement d'une plate-forme de modélisation pour l'étude de la circulation en Mer Méditerranée pour des applications au climat et à l'écosystème marin.
L'équipe d'enseignants-chercheurs de l'ENSTA (Karine Béranger, Thomas Loiseleux, Laurent Mortier,) et du CNRS (Alexandre Stegner du LMD) travaille en étroite collaboration avec des chercheurs du LOCEAN (Pierre Testor, Gilles Reverdin) et les ingénieurs de la Division Technique de l'INSU (Laurent Beguery). Une convention avec l'Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) définit ces collaborations et permet de mutualiser les équipements de recherche et les financements obtenus sur appels d'offres des organismes de recherche (ANR, CNRS, IPSL, Union Européenne). L'atout de cette équipe de chercheurs permanents et associés est ainsi de regrouper des approches multidisciplinaires et complémentaires autour d'une thématique originale à l'IPSL et plus généralement en France.
Parmi les réalisations de l'équipe au service de la communauté océanographique, il faut citer le développement et le maintien d'une plate-forme de modélisation de la Méditerranée (voir ci-dessous projets SIMED et MORCE-MED). Il faut également citer la création et le développement d'un Grand Instrument océanographique avec la constitution du Centre Glider à la Division technique de l'INSU à la Seyne s/Mer. Avec une équipe de 5 ingénieurs, dirigée par Laurent Begeury, ce centre opère déjà 14 gliders dont 5 ont été mis à sa disposition par l'ENSTA (Figure 1). Cette action a aujourd'hui un caractère international avec la constitution du réseau EGO (Every one's Gliding Observatories) soutenu par COST.
Figure 1. Cinq gliders de type Slocum du parc national glider localisé à la Seyne s/Mer.
En parallèle de ces projets à caractère méthodologique, les autres projets en cours portent sur des études de processus en dynamique des fluides géophysiques : Les sillages des îles (projet TIRIS), les interactions courant-topographie (projet TOPIECC et projet EYE) et l'étude des upwellings de bord Est avec le cas particulier de l'upwelling Pérou-Chili (projet VOCALS-Pérou).
SiMED (Simulation de la MEDiterranée)
La circulation générale de la Mer Méditerranée est étudiée par simulation numérique dans le projet SiMED regroupant 4 laboratoires nationaux (ENSTA-ParisTech/IPSL, LOCEAN/IPSL, Mercator-Océan, CNRM/Météo-France). Différents modèles sont développés s'appuyant sur le code numérique NEMO. Ces modèles sont eddy-permitting, c'est-à-dire qu'ils simulent de manière réaliste les tourbillons de méso-échelle qui sont de l'ordre de 100km (10 rayons de déformation) en Méditerranée (Figure 2). La Mer Méditerranée est le lieu d'une circulation thermohaline (conveyor belt) mise en route par des évènements de convection en hiver dans plusieurs sous-bassins (Golfe du Lion, Mer Adriatique, Mer Egée, sous-bassin Levantin). Les eaux plus denses, suite à une forte évaporation en automne et en hiver, plongent parfois jusqu'au fond de la mer où elles s'étalent à des profondeurs intermédiaires à profondes. Cette circulation thermohaline et le trajet des masses d'eaux sont difficiles à modéliser, en particulier car la Mer Méditerranée est une mer peu stratifiée et que les caractéristiques des différentes masses d'eau sont difficiles à simuler de manière correcte. Cette mer est également le lieu d'une circulation de bord cyclonique, mise en route par l'entrée des eaux atlantiques au Détroit de Gibraltar. Cet apport d'eau relativement peu salée et chaude compenserait la perte annuelle d'eau (0.7m/an) due à l'évaporation nette du bassin et la perte annuelle de chaleur (5 W/m²). Les eaux atlantiques circulent dans un courant fin (~50km) côtier le long de talus de forte pente. Ce courant est associé à des méandres, des séparations en différentes sous-veines et des lâchés de tourbillons méso-échelles. La simulation de telles structures permet donc d'étudier les échanges côtes-large, notamment le transport des caractéristiques de surface et profonde vers l'intérieur des sous-bassins.
Figure 2: Champ de salinité et courants de surface d'après une simulation MED12 le 20/01/2005.
MORCE-MED (MOdélisation Régionale CoupléE en MEDitérrannée)
Le projet MORCE-MED vise à étudier le climat régional, l'ensemble des processus couplés (physique, bio-géo-chimie) et les interactions entre les différents compartiments du système Terre (océan, continent, atmosphère). Notre contribution consiste à développer une plate-forme de modélisation à haute résolution couplée océan-atmosphère en collaboration avec le LMD/IPSL. Nos outils sont les codes numériques NEMO pour l'océan et WRF pour l'atmosphère. Le couplage envisagé des deux compartiments sera fait grâce au code OASIS. Le couplage physique et biogéochimie marine en collaboration avec le LOPB est également prévu. Ces études contribueront à l'étude du cycle de l'eau en Méditerranée dans le cadre du projet HyMex.
EYE of the Levantine
TARA Océans est une expédition internationale, prévue pour durer 3 ans, autour de l'océan mondial, qui vise à évaluer la dynamique du plancton océanique à l'échelle mondiale. Le concept est de fournir à la communauté océanographique une plate-forme unique, la goélette TARA, capables de soutenir une expérience continue de 3 années, ce que ne permettent pas les navires de recherche. Dans ce cadre, un leg spécifique est consacré à une expérience novatrice ayant comme objectif spécifique l'étude d'une structure d'écoulement persistante au sud de Chypre, un tourbillon semi-permanent anticyclonique piégé par le mont sous-marin d'Eratosthène au sud de Chypre. Le projet "EYE of the Levantine" (l'oeil du Levantin) tire partie des synergies entre les mesures faites par Tara (EYE/TARA) et les données recueillies par six gliders, pour comprendre la dynamique de cette remarquable structure océanique sur les flux, l'hydrologie et le phytoplancton. Le tourbillon « Eye of the Levantine » a été observé de façon plus ou moins régulière pendant plusieurs campagnes au cours des 2 dernières décennies, et de façon plus continue (mais seulement en surface) avec des satellites. Une description détaillée 4D de cette structure fait encore défaut. Cette structure est censée créer une barrière physique, qui déconnecte la dynamique de l'écosystème à l'intérieur du gyre de celle de l'extérieur du gyre. A quelques kilomètres de distance, deux écosystèmes contrastés pourraient cohabiter.
TIRIS (Three dimensional Instabilities at high Reynolds number around Islands)
L'interaction d'un courant océanique avec des îles ou des archipels induit une forte activité tourbillonnaire dans leur sillage. Les structures ainsi crées ont une importance considérable sur le transport et le mélange des composants bio-géochimiques. Plusieurs processus dynamiques tels que la filamentation, les upwelling et les instabilités inertielles (Figure 3) peuvent augmenter très fortement le mélange vertical et horizontal dans des régions localisées. Le mélange vertical, qui met en contact les constituants géochimiques de l'océan profond avec le phyto et le zooplankton de la zone euphotique, intensifie le cycle biologique. Les îles ou archipels océaniques se comportent alors comme des «oasis biologique» au milieu de l'océan.
Afin de quantifier l'intensité et la localisation des zones de mélange dans le sillage des îles ce projet combine des études expérimentales (ENSTA, LMD et LEGI-Coriolis à Grenoble), numériques (ROMS) et des campagnes de mesure in-situ (Madère). Ce projet regroupe des mécaniciens des fluides, des océanographes et des spécialistes de la biologie marine.
Figure 3. Sillage en aval d'une île cylindrique dans une fine couche de fluide en rotation. Des perturbations instables de petite échelle (Teinturier et al. 2010) sont visibles dans les tourbillons anticycloniques (colorant noir).
TopIECC (Topographic Impact on Eddies and Coastal Current)
Le développement des modèles de circulation régionale à haute résolution devient une nécessité en océanographie afin de reproduire correctement les échanges entre la côte et le large. Ces échanges contrôlent le bilan de chaleur, de salinité, la dispersion des polluants et la répartition des nutriments et des espèces biologiques. De ce point de vue, les modèles de circulation régional sont encore imparfaits. L'interaction des courant côtier avec la bathymétrie du talus continental, les mécanismes de dissipation associés, le rôle d'une circulation profonde le long de celui-ci (même si elle est de faible amplitude) sont délicat à modéliser.
Le but de ce projet est d'améliorer la compréhension des processus et de proposer des évolutions des modèles (paramétrisation, discrétisation, forçages, ...). TOPIECC cherche notamment à identifier la transition entre les deux mécanismes dynamiques responsable de la formation de grandes structures tourbillonnaires : instabilités barocline et barotrope du courant côtier ou méandres non linéaires induit par la topographie du talus. Un aspect novateur de ce projet est de montrer que la modélisation physique peut fournir des données quantitatives permettant d'améliorer les modèles numériques pour un coût relativement réduit en comparaison avec l'obtention de données in-situ. Les données issues de la modélisation expérimentale seront utilisées pour effectuer des comparaisons systématiques avec des configurations idéalisées (Figure 4) du modèle NEMO aussi utilisé en océanographie opérationnelle. Ces configurations dynamiques seront confrontées aux données in-situ provenant des campagnes EGYPT-EGGITO (bassin Méditerranéen oriental) et COUPLING (détroit de Bransfield en Antarctique).
Figure 4. Evolution du champ de vorticité (rouge=cyclonique, bleu=anticyclonique) d'un courant côtier calculé par le modèle NEMO. Les conditions initiales sont identiques à celles des expériences de laboratoire. Les images du panel supérieur correspondent à une configuration sans bathymétrie tandis que pour le panel d'image inférieur un talus de forte pente a été ajouté sur une demi-circonférence.
VOCALS (VAMOS Ocean Cloud Atmosphere Land Study)
Le programme international VOCALS a pour but d'apporter une meilleure compréhension des interactions air-mer à l'échelle régionale, avec une attention particulière sur le strato-cumulus de basse couche dans le Pacifique Sud-Est. Dans ce cadre, nous étudions plus particulièrement l'upwelling permanent le long des cotes du Pérou et du Chili dû aux Alizés car il contrôle largement les flux air-mer. Notamment, sa variabilité spatiale et temporelle reste une source importante d'incertitude du climat local. Une partie du programme VOCALS a ainsi consisté en une phase d'observation intense de cet upwelling, VOCALS-Rex (Regional experiment) au cours de laquelle un glider (planeur sous-marin autonome) a été déployé pendant une période de presque deux mois (Figure 5). Avec l'établissement d'une collaboration avec l'IMARPE, ce déploiement devrait être suivi par l'établissement progressif de radiales glider à même de documenter la variabilité de l'upwelling. Une thèse est en cours sur ce sujet.
Figure 5. Schéma de la campagne VOCALS-Rex-Pérou avec en carré noir, les stations CTD du NO Jose Olaya, en carré entouré les stations multidisciplinaires (biogéochimie, biologie) et en trait blanc la section glider qui a été répétée 9 fois.